近些年來，水凝膠光纖在生物傳感器、光遺傳學、光治療領域受到了廣泛的關注。相比于傳統(tǒng)的高分子或玻璃光纖，具有皮芯結構的水凝膠光纖具有更為優(yōu)異的組織相容性和光學性能，因而是植入式醫(yī)用光纖的首選材料。
對于植入式光纖而言，最重要的性能包括光透過率、皮芯界面處的全反射效率以及機械性能（模量和強度）。因此，具有交聯(lián)結構的無定形高分子水凝膠纖維十分適合用于制備光纖。盡管目前已經(jīng)開發(fā)出靜電紡絲、3D打印、擠出成型、微流道加工和模板法等多種方法生產(chǎn)水凝膠纖維，然而同時具有高光學性能、力學性能的皮芯結構光纖的大規(guī)模連續(xù)化生產(chǎn)仍然是一個挑戰(zhàn)。實現(xiàn)上述要求的三大挑戰(zhàn)是：1）在紡絲過程中同步實現(xiàn)水凝膠網(wǎng)絡的生成；2）由于皮芯材料流變學特性的差異所帶來的非平衡紡絲狀態(tài)；3）如何選擇合適的皮芯材料以實現(xiàn)界面處的全反射。
借鑒目前用于聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）的動態(tài)交聯(lián)濕法紡絲工藝以及微流道紡絲工藝，東華大學朱美芳院士課題組進一步開發(fā)了可用于制備多種皮芯結構水凝膠光纖的集成式光引發(fā)動態(tài)濕法紡絲工藝。該工藝可為多種水凝膠皮芯纖維體系提供對纖維直徑、機械性能、光學性能的精確控制。上述成果以“Integrated dynamic wet spinning of core-sheath hydrogel fibers for optical-to-brain/tissue communications”為題發(fā)表于《National Science Review》。
1.?光纖的制備與工藝設計
圖 1 光纖的制備流程
皮芯結構水凝膠光纖的皮層選用海藻酸鈉作為前驅液，芯層選用PEGDA和丙烯酰胺（AAm）的水溶液作為前驅液。通過自制的同軸紡絲噴頭，在有牽伸的條件下將前驅液擠出至氯化鈣凝固浴中。鈣離子擴散進入海藻酸鈉中，并使其交聯(lián)固化，形成水凝膠皮層。同時在噴頭附近用紫外光照射光纖，使PEGDA和AAm發(fā)生自由基聚合，形成凝膠網(wǎng)絡（圖1a、d、e、f、g）。研究人員在實驗室條件下制備了10 m長的連續(xù)光纖（圖1b），可以預見，該方法同樣適用于千米長度的光纖制備。此外，通過調節(jié)前驅液濃度、單體比例、拉伸速度、擠出速度和皮芯擠出速度比，可以很方便地改變光纖的光學、機械性能及尺寸。這一加工工藝同樣也適用于其它水凝膠纖維的制備，如NIPAM-co-DMAAm水凝膠纖維。
前驅液配方的優(yōu)化主要從以下方面考慮：（1）光纖性能和結構；（2）是否滿足加工工藝要求。為了使芯層的折光指數(shù)最大化，同時還保持較高的透光性，選用PEGDA:AAm = 1:1（質量比）的配比；在生產(chǎn)用濃度范圍內PEGDA/AAm和海藻酸鈉溶液的流動性都較好，為了進一步保證連續(xù)生產(chǎn)的穩(wěn)定性，選用PEGDA/AAm的總濃度為 40 wt%，海藻酸鈉濃度為2 wt%。
2.?光學性能
圖 2 光纖的光學性能測試
研究人員分別對光纖長度、光波長、光纖粗細和光線彎曲角度對光損耗的影響進行了探究，并選用沒有皮層的PEGDA/AAm光纖作為對照。研究表明，沒有皮層的光纖無全反射現(xiàn)象，散射損耗嚴重（圖2g）；光纖越長，其傳播過程中的光損耗也越大。隨著光波長增長，光纖損耗逐漸降低，這主要是因為PEGDA/AAm等高分子材料對長波長的光透過率較高。隨著光纖芯層直徑增大，損耗降低（圖2c），這是由于粗光纖中光在界面的全反射次數(shù)降低，反射時的損耗降低。光纖彎曲會增加光損耗（圖2d、e），在彎曲角度為180o時，光纖末端的光強僅為無彎曲時的50%。不過這一損耗并非永久性的，在回復至初始形狀后光纖的損耗也回復至初始水平。
3.?力學性能及生物相容性
圖 3 光纖的力學性能和生物相容性
對于可植入光纖來講，其在體內的使用性與力學性能和生物相容性有關。一般要求光纖的力學模量與軟組織的相近，并且對組織細胞沒有毒性。本實驗中的皮芯水凝膠光纖的力學性能主要取決于強度較高的PEGDA/AAm芯層，當提高皮/芯擠出速度比時，芯層直徑迅速下降，而皮層先下降，后基本不變。因而光纖的總直徑會下降，并導致拉伸強度、和模量的下降，同時斷裂伸長率提升（圖3a、b）。
在光纖材料上接種NIH-3T3細胞3天后，空白組和光纖材料上的細胞群落密度并無明顯不同，證明材料無細胞毒性（圖3d、e）。
4.?腫瘤光熱治療及光遺傳學應用
圖 4 將皮芯水凝膠光纖用于腫瘤的光熱治療
圖 5 將皮芯水凝膠光纖用于光遺傳學研究
相比于傳統(tǒng)光熱治療或光遺傳學中使用的二氧化硅基和高分子基光纖，皮芯水凝膠光纖在保證良好的光傳導性能的同時還具有更優(yōu)異的生物相容性。為證明這種光纖可以被用于深層組織腫瘤的光熱治療，研究人員用豬的肌肉組織模擬人的組織，將模型腫瘤注入小鼠體內，并用光纖將近紅外光引導至腫瘤部位。經(jīng)照射后腫瘤處的溫度迅速上升至48 oC，治療后腫瘤體積明顯減?。▓D4）。
光遺傳學作為控制小鼠行為，研究大腦活動的有力工具，需要植入式的光纖將光引導至特定腦區(qū)以控制大腦活動。在經(jīng)過遺傳學修飾后，皮芯水凝膠光纖通過陶瓷套圈引導至小鼠大腦。通過開關光刺激，小鼠在自由空間內的探索強度有明顯改變（圖5）。
此外，免疫學試驗表明二氧化硅光纖在植入后激活了高強度的免疫反應，并導致光纖附近的血腦屏障功能紊亂；然而皮芯水凝膠光纖所激活的免疫反應則要明顯低于二氧化硅光纖。證明了該光纖與腦組織良好的相容性。
總結
通過結合濕法紡絲和光自由基聚合，本文提供了一種具有泛用性和的大規(guī)模生產(chǎn)能力的皮芯結構水凝膠纖維加工方法。該方法不但適用于多種水凝膠材料，還能夠提供對纖維內外徑、透光度、折光指數(shù)、力學性能等多個參數(shù)的控制。通過上述方法制備的皮芯水凝膠光纖被成功用于深層組織的腫瘤光熱治療和光遺傳學實驗。因而該方法在光學治療、傳感、光遺傳學等多個領域都具有廣泛的應用前景。
全文鏈接：
https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwaa209/5899770
